数字随动系统实验装置设计

摘要
在控制系统中，若给定的输入信号是预先未知且随时间变化的，并且系统的输出量随输入量的变化而变化，这种系统就称为随动系统。

快速跟踪和准确定位是随动系统的两个重要技术指标。

传统的伺服控制系统通常采用模拟随动系统，即用运算放大器及外围电阻、电容元件实现比例、微分、积分校正网络，来改善系统的动态及静态特性。

实际工作中我们感到模拟伺服随动系统具有算法呆板，电路调试繁琐，系统响应慢等诸多不足。

随着计算机技术、现代控制理论的迅猛发展，由数字控制装置组成的随动系统即数字随动系统应运而生。

数字随动系统是输出量以一定精度复现输入量变化的自动控制系统, 它在对生产过程和运动对象的控制中, 以及在定位、瞄准、跟踪等装置中都占有显著的地位, 现己成为各种自动调节系统的组成部分。

本文的研究对象是数字随动系统,并结合数字随动系统的原理设计一个比较简单的数字随动系统实验装置。

关键字：快速跟踪准确定位伺服控制系统数字控制装置数字随动系统
Abstract
In the control system, if the input signal is given in advance of the unknown and change over time, and change due to the change in output with the input, this kind of system is called a servo system.Is fast tracking and accurate positioning servo system of two important technical indicators.Servo control systems are often used for traditional analog servo system, using operational amplifiers and peripheral resistance, capacitance components to achieve scale, differential, integral calibration network, to improve the system of dynamic and static characteristics.In the actual work we are simulating algorithm of servo system with rigid, circuit debugging cumbersome and inadequate systems respond slowly and many other.With the rapid development of computer technology, modern control theory, by numeric control servo system of the digital servo system came into being.
Digital Servo System output to a certain precision replication change the input volume control system.It in and moving objects in the control of the production process, and in positioning, targeting, tracking, and occupies a prominent position in the device.It has become an integral part of all kinds of automatic control system.
This object is the study of digital servo system, and combined with a digital servo system design of experimental device for a digital servo system is relatively simple.
Keywords：Fast-track Accurate positioning Servo control system
Digital control unit Digital Servo System
目录
第1章绪论................................................... - 1 -
1.1概述 (1)
1.2随动系统的发展过程 (2)
1.3研究的意义 (3)
第2章随动控制系统............................................. - 5 -
2.1随动系统的分类 (5)
2.2随动系统的结构组成 (6)
2.3随动系统的控制要求 (7)
2.4应用随动系统的目的 (8)
第3章总体设计方案及论证....................................... - 9 -
3.1设计任务及基本要求 (9)
3.2设计总体方案 (9)
3.3微处理器选择 (12)
3.3.1 MCS—51系列单片机内部结构............................ - 12 -
3.3.2 DSP系列微处理器...................................... - 13 -
3.3.3 PLC可编程控制器...................................... - 13 -
3.4检测环节的方案论证 (15)
3.5外围电路设计 (19)
3.6系统设计总框架图 (20)
第4章硬件电路设计............................................ - 21 -
4.1MCS—51系列单片机内部结构和引脚说明 (21)
4.2系统时钟电路设计 (24)
4.3复位电路 (25)
4.4键盘/显示电路设计 (26)
4.4.1 键盘电路.............................................. - 26 -
4.4.2 LED显示电路.......................................... - 27 -
4.5串口设计 (29)
4.6检测电路 (30)
4.6.1 增量式光电编码器结构与工作原理........................ - 30 -
4.6.2 增量式光电编码器的输出信号及位置检测原理.............. - 31 -
4.7电动机驱动电路 (32)
4.7.1 LM629芯片介绍........................................ - 32 -
4.7.2 电动机驱动芯片选择.................................... - 35 -
4.7.3 LMD18200芯片介绍..................................... - 37 -
4.8给定电动机检测及D触发器辨向电路 (39)
4.9系统电源及保护 (40)
第5章系统软件设计............................................ - 42 -
5.1数字控制器设计 (42)
5.2系统的主程序框图及程序清单 (43)
5.3数字触发器的软件设计 (44)
5.3.1
INT外部中断服务程序................................. - 45 - 0
5.3.2 定时器T0中断服务程序................................. - 47 - 第6章数字随动系统控制精度分析................................ - 49 -
6.1检测误差 (49)
6.2系统误差 (49)
6.3扰动误差 (51)
总结.......................................................... - 52 - 致谢.......................................................... - 53 - 参考文献........................................................ - 54 - 附录1 程序清单 ................................................ - 55 -
1.1主程序清单: (55)
1.2T0中断服务程序 (56)
附录2 硬件连接图 .............................................. - 58 -
第1章绪论
1.1 概述
随动系统（也叫伺服系统）是自动控制系统中的一类，是用来控制被控对象的某种状态，使其能够自动地、连续地、精确地重复输入信号的变化规律。

随着科学技术的飞速发展，特别是微电子技术、计算机技术和电力电子技术以及其他技术的发展，伺服技术更是发展迅速，它的应用几乎遍及社会生产各领域。

在控制系统中，若给定的输入信号是预先未知且随时间变化的，并且系统的输出量随输入量的变化而变化，这种系统就称为随动系统。

快速跟踪和准确定位是随动系统的两个重要技术指标。

传统的伺服控制系统通常采用模拟随动系统，即用运算放大器及外围电阻、电容元件实现比例、微分、积分校正网络，来改善系统的动态及静态特性。

实际工作中我们感到模拟伺服随动系统具有算法呆板，电路调试繁琐，系统响应慢等诸多不足。

随着计算机技术、现代控制理论的迅猛发展，由数字控制装置组成的随动系统即数字随动系统应运而生。

数字随动系统通常以微处理器为核心器件，通过数学模型计算实现比例、微分、积分控制算法，从而快速而有效地实现被控对象的精确定位。

与传统的模拟系统相比，数字随动系统控制是从计算机接收控制命令，它具有设计简单，体积小，修改方便，精度高，可靠性高等优点。

无论在工业上，还是在军事上，都不乏随动系统的例子。

例如由计算机控制的火炮防空系统如图1-1所示，便是数字随动系统的典型实例。

当目标进入雷达作用半径以内，一旦被自动跟踪雷达发现就被跟踪，同时自动雷达将测得的目标当时位置 (距离，方位角和高低角 )随时送入计算机。

计算机则按人们事先规定的推算方法迅速计算出目标的航向、航速以及射击武器的发射角度；引导其去击中目标。

这里，计算机算出的发射角度即是火炮随动系统的数字给定，而火炮防空系统应使火
炮的实际发射角度与给定的发射角度相一致，才能够准确地击中目标。

这就要求跟踪既快且准，这就是数字随动系统应达到的性能指标。

图1-1 火炮防空系统
1.2 随动系统的发展过程
随动系统是自动控制系统中的一类，1934年第一次提出了伺服机构（Servomechanism），1944年世界上第一个随动系统由麻省理工学院成功研制，随着自动控制理论的发展，到20世纪中期，数字随动系统的理论和实践均趋于成熟。

在近几年新技术的推动下，特别是伴随着微电子和计算机技术的发展，数字随动系统应用几乎遍及社会的各个领域。

它的发展初期是以反馈理论为基础的自动调节原理，随着工业生产和科学技术的发展，现在已发展成为一门独立的学科——控制论。

在18世纪人们发明了两类机器：机器发电机和机器发动机，来代替人手和体力，开始实现机械化；在上世纪40、50年代即第二次世界大战期间及以后，由于军事和生产上的需要，自动控制技术开始迅速发展，发明了第三类机器——机器控制器，来代替人的部分简单的管理工作，形成了自动控制系统；到50年代末，自动控制理论已经形成比较完整的理论体系，由于电子计算机技术的飞速发展，在客观上提供了必要的技术手段。

随动系统作为自动化系统的一种，其研究和应用已较为广泛。

从早期的模拟直流系统，到80年代后期的数字交流系统，随动系统大量应用于工业和国防领域。

虽然新的控制结构和控制器不断出现，同时像自适应控制、最优控制、模糊控制、智能控制、神经网络控制等新算法也不断涌现。

从实现手段上看,用单片机、可编程逻辑器件手段实现的较多，用专门嵌入式控制计算机实现的还不多见。

实时控制应用是计算机应用的一个重要而极富潜力的方面。

随着计算机技术的发展，实时计算机系统在工业控制、航空航天、交通管理、作战指挥控制系统的应用正越来越广泛。

嵌入式实时应用是目前国内外蓬勃发展的方向之一，正被越来越多的研究和应用。

由于它与一般计算机系统的差异，其开发系统与通用软件开发有明显不同，需要高实时性能的操作系统和开发环境。

自20世纪70年代以来，由于发展了力矩电机及高灵敏度测速机，使数字随动系统实现了直接驱动，革除或减小了齿隙和弹性变形等非线性因素，使带宽达到50赫，并成功应用在远程导弹、人造卫星、精密指挥仪等场所。

1.3 研究的意义
数字随动控制系统应用领域非常广泛，主要是机械制造行业，运输行业，冶金工业，军事上。

这就使得我们对数字随动系统进行学习和研究变得尤为重要，尤其是对其应用进行了解和学习。

自动控制系统不仅在理论上飞速发展，在其应用器件上也日新月异。

模块化、数字化、高精度、长寿命的器件每隔3～5年就有更新换代的产品面市。

传统的交流伺服电机特性软，并且其输出特性不是单值的;步进电机一般为开环控制而无法准确定位，电动机本身还有速度谐振区，PWM调速系统对位置跟踪性能较差，变频调速较简单但精度有时不够，直流电机伺服系统以其优良的性能被广泛的应用于位置随动系统中，但其也有缺点，例如结构复杂，在超低速时死区矛盾突出，并且换向刷会带来噪声和维护保养问题。

目前，新型的永磁交流伺服电机发展迅速，尤其是从方波控制发展到正弦波控制后，系统性能更好，它调速范围宽，尤其是低速性能优越。

随动系统将向两个方向发展：一个是满足一般工业应用要求，对性能指标要求不高的应用场合，追求低成本、少维护、使用简单等特点的驱动产品，如变频电机、变频器等。

另一个就是代表着伺服系统发展水平的主导产品—伺服电机、伺服控制器，追求高性能、高速度、数字化、智能型、网络化的驱动控制，以满足用户较高的应用要求。

数字随动系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。

随动的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制的非常灵活方便。

第2章随动控制系统
2.1 随动系统的分类
伺服系统根据其处理信号的方式不同，可以分为模拟式伺服、数字模拟混合式、伺服和全数字式伺服；如果按照使用的伺服电动机的种类不同，又可分为两种：一种是用永磁同步伺服电动机构成的伺服系统，包括方波永磁同步电动机（无刷直流机）伺服系统和正弦波永磁同步电动机伺服系统；另一种是用鼠笼型异步电动机构成的伺服系统。

二者的不同之处在于永磁同步电动机伺服系统中需要采用磁极位置传感器而感应电动机伺服系统中含有滑差频率计算部分。

若采用微处理器软件实现伺服控制，可以使永磁同步伺服电动机和鼠笼型异步伺服电动机使用同一套伺服放大器。

伺服控制单元的种类：
1．分离型伺服控制单元
其特点是数控系统和伺服控制单元相对独立，也就是说，它们可以与多种数控系统配用，NC系统给出的指令是与轴运动速度相关的DC电压。

而从机床返回的是与NC系统匹配的轴运动位置检测信号（例如编码器，感应同步器等输出信号）。

伺服数据的设定和调整都在伺服控制单元侧进行（用电位器调节或通过数字方式输入）。

2．串行数据传输型伺服控制单元
其特点是NC系统与伺服控制单元之间的数据传送是双向。

与相关的指令数据、伺服数据和报警信号是通过相应的时钟信号线、选通信号号、发送数据线、接收数据线、报警信号线传送。

3．网络数据传输型伺服控制单元
其特点是控制单元密集安装在一起，由一个公用的DC电源单元供电。

NC装
置通过FCP板上的网络数据处理模块的连接点SR、ST与各个控制单元（子站）的网络数据处理模块的SR、ST点串联，组成伺服控制环[2] 。

各个轴的位置编码器与控制单元之间是通过二根高速通信线连接，反馈的信息有位置和相关的状态信息。

串行数据传输型和网络数据传输型伺服控制单元的伺服参数在NC装置中用数字设定，开机初始化时装入伺服控制单元，修改和调整都十分方便。

网络数据传输型伺服控制单元在相应的控制软件配合下，具有实时的调整能力，例如在定位加减速功能中，可以根据电机的速度和扭矩特性求应的函数，再以其函数控制高速定位时的加减速度，从而抑制高速定位时可能引起的振动。

位速度的提高可以缩短时间，提高加工效率。

采用高速微处理器和专用数字信号处理机（DSP）的全数字化交流伺服系统出现后，硬件伺服控制变为软件伺服控制，一些现代控制理论的先进算法得到实现，进而大大地提高了伺服系统的控制性能。

伺服控制单元是数控系统中与机械直接相关联的部件，它们的性能与机床的切削速度和位置精度关系很大，其价格也占数控系统的很大部分。

相对来说，伺服部件的故障率也较高，约占电气故障的70%以上，所以选配伺服控制单元十分重要。

伺服故障除了与伺服控制单元的可靠性有关外，还与机床的使用环境、机械状况和切削条件密切相关。

例如环境温度过高，易引起器件过热而损坏；防护不严可能引起电机进水，造成短路；导轨和丝杠润滑不好或切削负荷过重会引起电机过流。

机械传动机构卡死更会引起功率器件的损坏，虽然伺服控制单元本身有一定的过载保护能力，但是故障情况严重或者多次发生时，仍然会使器件损坏。

2.2 随动系统的结构组成
机电一体化的随动控制系统的结构,类型繁多,但从自动控制理论的角度来分析,伺服控制系统一般包括控制器,被控对象,执行环节,检测环节,比较环节等五部分。

1．比较环节:是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较,以获得输出与输入间的偏差信号的环节,通常由专门的电路或计算机来实现。

2．控制器:通常是计算机或PID控制电路,其主要任务是对比较元件输出的偏
差信号进行变换处理,以控制执行元件按要求动作。

3．执行环节:作用是按控制信号的要求,将输入的各种形式的能量转化成机械能,驱动被控对象工作.机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压,气动伺服机构等。

4．被控对象：机械参数量包括位移，速度，加速度，力，和力矩为被控对象。

5．检测环节:是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置,一般包括传感器和转换电路。

2.3 随动系统的控制要求
1．系统精度
随动系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度,以误差的形式表现,可概括为动态误差,稳态误差和静态误差三个方面组成。

2．稳定性
随动系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后，系统能够恢复到原来稳定状态的能力；或者当给系统一个新的输入指令后，系统达到新的稳定运行状态的能力。

随动系统正常运行的最基本条件是系统必须是稳定的，否则其他性能指标都是毫无意义的。

随动系统的稳定性包括两方面的含义：一是通常意义的稳定性；另一方面是系统的稳定程度，或者说系统震荡的程度，指系统的相对稳定性。

例如，一个系统虽然是稳定的，但在收到扰动作用后，震荡倾向很强烈，而震荡的衰减却很慢，这种系统的稳定度就很差。

必须注意的是，稳定性只表示系统本身的一种特性，它决定系统结构与元件参数，与外部输入指令或扰动信号无关。

3．响应特性
响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度,决定了系统的工作效率.响应速度与许多因素有关，如计算机的运行速度,运动系统的阻尼和质量等。

4．工作频率
工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围。

当工作频率信号输入时，系
统能够按技术要求正常工作；而其它频率信号输入时，系统不能正常工作。

2.4 应用随动系统的目的
采用随动系统主要是为了达到下面几个目的：
1．以小功率指令信号去控制大功率负载。

火炮控制和船舵控制就是典型的例子。

2．在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距同步传动。

3．使输出机械位移精确地跟踪电信号，如记录和指示仪表等。

第3章总体设计方案及论证
3.1 设计任务及基本要求
采用数字系统
装置能进行单环、闭环和随动系统演示实验
执行对象是力矩电机
调速范围0.2～300转/分
跟踪角度不小于±160度
电源交流220V、直流24/12V
3.2 设计总体方案
总体方案的确定是进行微机控制系统设计时最重要、最关键的一步，因为总体方案直接关系到整个控制系统的运行、调节性能以及实施的细节。

由于位置随动系统的基本特征体现在位置环上，体现在位置给定信号和位置反馈信号及两个信号的综合比较上。

因此，可根据这个特征将它划分为两个类型：一类是模拟式随动系统，一类是数字式随动系统。

但是由于模拟式随动系统的检测装置的精度受到制造上的限制，不可能作的很高，从而影响了整个模拟式随动系统的精度。

若生产机械要求进一步提高，则必须采用数字式检测装置来组成数字式随动系统。

数字式随动系统的基本类型有以下三种：
1、数字式相位控制随动系统
如图3-1所示，这是数控机床上广泛采用的一种随动系统，实质上是一个相位闭环（又称锁相环）的反锁控制系统。

其位置环由数字相位给定、数字相位反锁和
数字相位比较三个部分组成。

图3-1 数字式相位控制随动系统原理框图
2、数字式脉冲控制随动系统
在数字式脉冲随动控制系统中，主张给定信号是指令脉冲数D*，作为位置检测用的光栅则发出位置反馈脉冲数D ，它们分别进入可逆计数器的加法端和减法端。

经运算后得到脉冲的误差量ΔD= D*-D+D0，其中是为了克服后级模拟放大器零飘影响而在计数器中预置的常数值。

此误差信号经过数模转换后，作为速度控制器的给定信号，再经过功率放大，便使电机和机床工作台消除偏差的方向运动。

由于数字光栅的精度可以做得很高，从而能保证这种系统获得很高的控制精度。

3、数字式编码控制随动系统
在这种系统中，给定往往是二进制数字码信号。

检测元件一般是光电编码盘或其它的数字反馈发送器，借助于转换得到二进制码信号，二者联合构成“角度—数码”转换器或“线位移—数码”转换器。

不管是模拟式还是数字式的随动系统，其闭环结构都可以有不同的形式。

位置随动系统按其组成中反馈闭环的多少和结构复杂程度，一般可有五种控制方案：单环位置随动系统、双环位置随动系统、三环位置随动系统、变结构控制位置随动系统和复合控制位置随动系统。

其中单环位置随动系统是系统中有一个位置负反馈闭环，它由位置给定反馈、位置比较、检测变换、相敏整流及滤波电路、位置调节器、给定光电编码盘辨向电路测速电路单片机被控电机位置检测
光电编码盘
可逆功放、伺服电动机、减速器及负载等环节组成；双闭环随动系统由两个闭环组成，可以构成两种不同形式的双环位置随动系统，即位置-（加）速度双环随动系统和带速差校正的位置-电流双闭环随动系统；三环位置随动系统是在位置-速度双
闭环内，再增加一个电流环，这就构成了所谓位置-速度-电流三环随动系统；变结构控制位置随动系统是指在高速时由速度环工作，而在低速时则由位置环工作的特殊随动系统和调速与电轴两用系统；复合控制位置随动系统是指在前述各种反馈控制位置随动系统的基础上，如果其动、稳态性能难以协调，在系统闭环稳定的前提下，可以利用速度信号进行前馈控制，构成前馈控制和反馈控制相结合的复合控制位置随动系统。

综上所述，本系统采用数字式编码随动控制系统。

本系统包括两个环节：位置反馈环节和速度反馈环节，其系统结构图如图3-2所示。

给定
位置调节转速调节伺服驱动伺服电机传动装置
速度检测
装置
位置检测
装置
图3-2 系统结构图
其中在里面的反馈环是速度环，在外面的反馈环是位置环。

一般来说，双闭环系统具有比较满意的动态性能：
1、动态跟随性能
双闭环系统在启动和升速过程中，能够在电流受到电机过载能力约束条件下，表现出很快的动态跟随性能。

只要指定位置参数，它便迅速控制电机正转或反转，以达到指定的目的。

2、动态抗扰性能
当系统处于正常工作时，出现不正常的扰动干扰时，位置反馈系统便把位置信号反馈回主控制系统，之后，便会调节电机，使其转速提高或下降，最终达到控制稳定的目的。

因此，本系统具有极强的抗干扰性能。

为了提高系统快速跟随能力，要求外环即位置环有较高的截止频率，因为外环的截止频率表征了系统的快速性。

如果在本系统基础上外加电流反馈，组成三环随动系统。

对于这样的一个三环系统，工程设计方法是由内环到外环逐一设计，则系统稳定性是有了保证的。

当速度环与电流环的某些参数发生了变化或受到扰动时，电流反馈或速度反馈能对它们起到有效的抑制作用，因而，对位置环的工作影响很小，但这种三环系统有明显的缺点，对控制作用的响应较慢，这是因为每次由内环设计到外环时，都要采用内环等效环节。

而这种等效环节传递函数之所以能够成立，是以外环的截止频率远远低于内环为先决条件的。

但系统的位置环的截止频率被限制的太低，从而影响了快速性。

[5]
3.3 微处理器选择
控制器的总类有很多，在自动化控制系统中较为常用的主要可分为MCS-51系列及其衍生系列微处理器、DSP系列微处理器、PLC系列微处理器。

3.3.1 MCS—51系列单片机内部结构
MCS-51系列单片机是美国Intel公司生产的MCS系列单片机种的一个系列，其主要包括8031、8051和8751以及对应的低功耗型（80C31、80C51和87C51）；MCS-51系列的衍生系列微处理器是指由其他的Intel授权公司（如ATMEL、PHILIPS、ANALOG DEVICES、DALLAS等公司）生产的于MCS-51系列单片机兼容或相似的微处理器。

该系列微处理器在控制系统中的特点如下：
1．小巧灵活、成本低、易于产品化
2．可靠性好，适应温度范围宽。